(57)【要約】【課題】環境中に含まれる放射性セシウムを効率よく除去することができるセシウム吸着材を提供する。【解決手段】本発明に係るセシウム吸着材は、木材を原料とする粒状炭化物と、該粒状炭化物の表面に担持させたゼオライト粉末及び／又はベントナイトの粉末とからなることを特徴とする。このようなセシウム吸着材は、ゼオライト粉末及び／又はベントナイトの粉末を、前記粒状炭化物の導管又は師管の内部にまで入り込ませるように混合した後、前記ゼオライト粉末又は前記ベントナイト粉末を焼結させることにより製造することができるが、好ましくは、原料木材と、ゼオライト粉末及び／又はベントナイト粉末を、前記原料木材の多孔質構造の内部まで入り込ませるように混合した後、焼成することにより製造するとよい。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
木材を原料とする粒状炭化物と、
該粒状炭化物の表面に担持させたゼオライト粉末及び／又はベントナイトの粉末と
からなることを特徴とするセシウム吸着材。
【請求項２】
粒状炭化物の大きさが75μm以下であることを特徴とする請求項１に記載のセシウム吸着材。
【請求項３】
ゼオライト粉末及び／又はベントナイト粉末は、90％以上が粒径50μm以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のセシウム吸着材。
【請求項４】
前記木材が、廃木材、間伐材、剪定枝のいずれかを破砕して得られたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセシウム吸着材。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のセシウム吸着材を製造する方法であって、
原料木材とゼオライト粉末及び／又はベントナイト粉末を、前記原料木材の多孔質構造の内部まで入り込ませるように混合した後、焼成することによりセシウム吸着材を製造する方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載のセシウム吸着材を製造する方法であって、
木材を原料とする粒状炭化物と、ゼオライト粉末及び／又はベントナイトの粉末を、前記粒状炭化物の多孔質構造の内部にまで入り込ませるように混合した後、前記ゼオライト粉末又は前記ベントナイト粉末を焼結させることによりセシウム吸着材を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水や土壌、空気中に含まれる放射性セシウムを除去するためのセシウム吸着材に関する。
【背景技術】
【０００２】
地震や津波等の大きな災害が発生した場所に原子力発電所や原子燃料サイクル施設といった原子力施設がある場合、該原子力施設から放射性物質が漏洩するという事故が発生する場合がある。このように原子力施設から漏洩し、大気中に放出された放射性物質はガスあるいはエアロゾルの形で大気中を浮遊し、雨とともに土壌や河川に降下する。河川に降下した放射性物質は水道水や下水といった生活用水に流れ込む。このように放射性物質が環境中に拡散すると、周辺の住民はもちろん動植物といった生態系に悪影響を及ぼすため、放射性物質を速やかに除去する必要がある。
【０００３】
特に、原子力施設で発生する放射性物質の中でも放射性セシウムは半減期が長いため、環境中に拡散すると長期にわたって周辺環境に悪影響を及ぼし続ける。放射性セシウムはウラン235等の核分裂反応によって生成され、半減期が３０年のセシウム-137（Cs-137）や半減期が３×１０６年のセシウム-135（Cs-135）、半減期2.06年のセシウム-134（Cs-134）がある。
【０００４】
アルカリ金属であるセシウムは水との反応性が非常に強いため、大気中に放出されると瞬時に水蒸気や炭酸ガスと反応して水酸化セシウム（ＣｓＯＨ）や炭酸セシウム（Ｃｓ２ＣＯ３）となり、エアロゾルとして大気中を浮遊する。また、大気中を浮遊する水酸化セシウムや炭酸セシウムのエアロゾルは雨に溶け込むとセシウムイオン（Ｃｓ＋）となって土壌や河川に入り込む。このため、土壌、河川等に拡散した放射性セシウムの除去にはイオン交換法が用いられている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公昭62-43519号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、ガス中に浮遊する放射性セシウムを除去する方法として、大気中にイオン交換体であるゼオライトやベントナイト等の無機イオン交換体の粉末を混入して放射性セシウムを該粉末に吸着させた後、バグフィルターで粉末をろ過して取り除く方法が考えられる。
【０００７】
ところが、大気中に水分が多く含まれる場合には、該水分によってベントナイト粉末が膨潤するため、バグフィルターがすぐに目詰まりしてしまい、バグフィルターのろ過能力が低下するという問題がある。また、ゼオライトの粉末は親水性が高いため、大気中の水分がバインダーとなって凝集し易く、放射性セシウムを含んだ大気をバグフィルターまで流す配管の内壁にゼオライト粉末が付着するという問題がある。配管の内壁にゼオライト粉末が付着すると、配管内の大気の流れを妨げ、ひいては配管内を塞いでしまう可能性がある。一方、大気中にある程度の水分が含まれていない場合には放射性セシウムがイオン態で存在しないため、ゼオライトやベントナイトのイオン交換作用を利用した除去方法が有効でない。
【０００８】
また、水中から放射性セシウムを除去する場合も、大気中の放射性セシウムを除去する場合と同様に、ゼオライト粉末やベントナイト粉末を混入した後、バグフィルターで該粉末をろ過する方法を用いることができるが、この場合も膨潤したベントナイト粉末やバグフィルターに付着したり、凝集したゼオライト粉末が配管の内壁に付着したりするという問題がある。
【０００９】
バグフィルターが目詰まりするとろ過能力が低下する。バグフィルターのろ過能力を復元するために逆洗作業が行われるが、バグフィルターが目詰まりするとその分、逆洗頻度が高くなるため、バグフィルターのろ過時間が短くなり、効率が悪かった。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、環境中に含まれる放射性セシウムを効率よく除去することができるセシウム吸着材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために成された本発明に係るセシウム吸着材は、
木材を原料とする粒状炭化物と、
該粒状炭化物の表面に担持させたゼオライト粉末及び／又はベントナイトの粉末と
からなることを特徴とする。
【００１２】
木材は導管や師管を有しており、これら導管や師管の孔から成る多孔質構造を有している。導管や師管の孔は木材表面で開口し、隣接する導管や師管どうしは細胞間層と称する組織を介して結合している。木材のこのような多孔質構造は、炭化により木材が収縮しても保持されるため、粒状炭化物も多孔質構造を有し、外表面と導管や師管に起因する孔の内表面を含めた大きな表面積を有することになる。このように表面積が大きいため、本発明に係るセシウム吸着材では、粒状炭化物の表面に多くのゼオライト粉末やベントナイト粉末を担持させることができる。
【００１３】
ゼオライトは水和したアルミナケイ酸塩を主成分とする天然多孔性鉱物である。ベントナイトは粘土鉱物であり、モンモリロナイトを主成分とする。いずれも、本発明のセシウム吸着材に用いる場合は、1〜100μmの粒径のものが適しており、好ましくは90％以上が粒径50μm以下である。
一方、粒状炭化物は、用途によって好ましい大きさ（直径、長さ等）が異なる。後述するように、放射性セシウムを含む土壌を覆う覆土に混合されるセシウム吸着材の場合は1〜5mmが好ましい。また、水やガスに混合することにより水中やガス中から放射性セシウムを除去するためのセシウム吸着材の場合は75μm以下が好ましい。
【００１４】
また、前記木材として、廃木材、間伐材、剪定枝のような廃棄物系バイオマスを用いることにより、製造コストを下げることができるとともに廃棄物を有効利用することができる。
【００１５】
上記した本発明に係るセシウム吸着材は、原料木材とゼオライト粉末及び／又はベントナイト粉末を、前記原料木材の多孔質構造の内部まで入り込ませるように混合した後、焼成することにより得ることができる。適宜の温度や雰囲気で焼成することにより、木材原料が炭化して炭化物になると共に該炭化物の表面にゼオライト粉末又はベントナイト粉末が薄膜状となって焼結される。これにより、ゼオライト粉末やベントナイト粉末でみられる凝集や膨潤が阻害されるため、セシウム吸着能が増大する。
【００１６】
また、本発明に係るセシウム吸着材は、木材を原料とする粒状炭化物とゼオライト粉末及び／又はベントナイトの粉末を、前記粒状炭化物の多孔質構造の内部にまで入り込ませるように混合した後、前記ゼオライト粉末又は前記ベントナイト粉末を焼結させることにより得ることができる。
この場合、前記ゼオライト粉末及び／又は前記ベントナイト粉末の焼結は、粒状炭化物の燃焼を抑制するような窒素雰囲気等の低酸素状態で行うことが望ましい。上記した方法により、ゼオライト粉末やベントナイト粉末は粒状炭化物の表面に薄膜状となって焼結される。これにより、未焼結のゼオライト粉末やベントナイト粉末でみられる凝集や膨潤が阻害されるため、セシウム吸着能が増大する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るセシウム吸着材は、粒状炭化物の表面に、多量の、イオン交換能を有するゼオライト粉末又はベントナイトの粉末が焼結され薄膜となって担持されているため、水分によってゼオライト粉末が凝集したりベントナイト粉末が膨潤したりすることがない。このため、ゼオライトやベントナイトのイオン交換能により環境中の放射性セシウムを効率よく吸着（化学的吸着）することができる。しかも、本発明のセシウム吸着材は、ゼオライト又はベントナイトの焼結体を、木材を原料とする粒状炭化物という表面積の大きな炭化物の表面に担持させたため、単位体積あたりのゼオライトやベントナイトの担持量が増大するため、この点でもセシウム吸着能が増大する。また、本発明に係るセシウム吸着材は水分により膨潤したり凝集したりすることがないため、バグフィルター等のろ布を使ってろ過する際に該ろ布に固着して目詰まりすることがなく、ろ過効率が低下することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ベントナイトの粒子分布を示す図であり、（ａ）は１回目、（ｂ）は２回目の測定結果を示す。
【図２Ａ】本発明の一実施例に係る粒子のＳＥＭ画像（倍率50倍）（ａ）、炭素分布図（ｂ）、及びケイ素分布図（ｃ）を示す。
【図２Ｂ】本発明の一実施例に係る粒子のＳＥＭ画像（倍率150倍）（ａ）、炭素分布図（ｂ）、及びケイ素分布図（ｃ）を示す。
【図３】セシウム吸着材の工業分析結果を示す図。
【図４】本実施例に係るセシウム吸着材の放射性セシウムの除去性能を示すグラフ。
【図５】３週間静置後の除去性能を示す表。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明に係るセシウム吸着材は、原料木材100重量部に対して、ゼオライト粉末又は／及びベントナイト粉末を2〜30重量部を、前記原料木材の表面に前記ゼオライト粉末又は／及びベントナイト粉末をほぼ均一に付着させた後、ロータリキルンを用いて600〜700℃まで加熱して自己燃焼を生じさせ、その後、自己燃焼により焼成を行い、原料木材の炭化により生じた炭化物の表面に、ゼオライト粉末又は／及びベントナイト粉末の焼結体を薄膜状で形成させたものである。
【００２０】
この場合、ゼオライト粉末又は／及びベントナイト粉末を混合する原料木材の大きさは問わないが、例えば1〜5mm程度に予め細かく破砕された原料木材を用いると、原料木材の表面に多量のゼオライト粉末又は／及びベントナイト粉末を付着させることができる。また、原料木材の炭化物の表面にゼオライト又はベントナイトを薄膜状で焼成し、担持させた後、該炭化物（焼成体）をさらに細かく粉砕しても良い。例えば、放射性セシウムを除去する対象がガスや水の場合は、90％以上が75μm以下となるように細かく粉砕すると良い。
【００２１】
以下、本発明に係るセシウム吸着材の具体的な実施例について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００２２】
[セシウム吸着材の製造]
水分含有量を約５０重量％に調整した、大きさが1〜5mm程度の建築廃材チップ（以下、建廃チップという。）１００重量部に、ベントナイト２５重量部を添加し、混練機で約１５分間混練して、建廃チップの表面（外表面や師管や導管の内表面等）にベントナイトを付着させた。
【００２３】
続いて、ロータリキルンを用いて650℃まで加熱し、以後は自己燃焼により焼成を行い、焼成が終了した後、焼成物を冷却装置へ移して冷却し、最終製品を取り出すことにより、建廃チップの炭化物の表面にベントナイトが付着した焼成物（粒径約0.5〜5mm）を得た。
この焼成物をミル粉砕機と整粒器によって粉砕及び整粒し、90％以上が75μm以下の粒径を有する微細焼成体（以下、これを「セシウム吸着材」と呼ぶ）を得た。
【００２４】
図１（ａ）、（ｂ）は、本実施例に係るセシウム吸着材の製造に用いたベントナイトの粒子分布を２回測定した結果を示している。図１中、横軸は粒子径（μm）、左縦軸は頻度（％）、右縦軸はふるい落とされた粒子の累積（％）を示す。また、図１中、棒グラフが粒度分布（％）を、曲線が累積（％）を示す。図１から、用いたベントナイトの粒径は1μm〜100μm程度であり、メジアン径は20〜23μm、モード径は32〜37μm、比表面積は5000〜5500cm2/cm3であることが分かった。また、ベントナイトの粒径は90％以上が50〜60μm以下であった。
【００２５】
図２Ａ及び図２Ｂの（ａ）は、本実施例に係るセシウム吸着材の走査型顕微鏡画像（ＳＥＭ画像）を示し、（ｂ）はセシウム吸着材表面の炭素分布を、（ｃ）はケイ素分布を示す。図２Ａ及び図２Ｂの（ｂ）、（ｃ）において色の薄い部分がそれぞれ炭素及びケイ素が分布していることを示す。つまり、（ｂ）において色の薄い部分は粒状炭化物の表面が露出していることを示し、（ｃ）において色の薄い部分はベントナイトが担持されていることを示す。
【００２６】
図２Ａ及び図２Ｂの（ａ）から、セシウム吸着材は多孔質構造を有していることが分かる。また、図２Ａ及び図２Ｂの（ｃ）及び（ｄ）から、セシウム吸着材の表面に多数のベントナイトが担持されていることが分かる。
【００２７】
図３はセシウム吸着材に含まれる揮発分、固定炭素、灰分の割合を調べるために行った実験結果を示す。揮発分、固定炭素、灰分の割合は、図３のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを用いた次の式から求めた。
揮発分＝（Ｂ−Ａ）／（（Ｄ−Ａ）：100〜300℃で減少した重量
固定炭素＝（Ｃ−Ｂ）／（Ｄ−Ａ）：300〜1000℃で減少した重量
灰分＝（Ｄ−Ｃ）／（Ｄ−Ａ）：1000℃の時点で残った重量
その結果、セシウム吸着材全体に占める揮発分の割合は1.4％、固定炭素の割合は57.9％、灰分は40.7％であることが分かった。
【００２８】
次に、本実施例に係るセシウム吸着材のセシウム吸着性能の評価実験を以下のバッチ系の実験により行った。
まず、利根川河川水に放射性セシウム:Cs-134を添加して放射性溶液を作成した。
続いて、放射性溶液200mlに対して吸着材（Hi-Mox）を0.25g、1.0g、2.0g、5.Ogずつ添加した吸着材添加溶液を作成し、これら４種類の吸着材添加溶液を10分間振とうした後、50分間静置した。
【００２９】
静置後、吸着材添加溶液をろ過し、ろ液50gをポリエチレン製の瓶（以下、ポリ瓶という。）に採取した。そして、残った放射性溶液と、ろ液の放射能を、それぞれゲルマニウム半導体検出器で測定し、下記の式（１）から吸着材による除去率を算出した。
除去率＝（接触前の放射能濃度−接触後の放射能濃度）／接触前の放射能濃度  …(1)
【００３０】
さらに、ろ液を50g採取した後の吸着材添加溶液を約３週間静置し、その後、10分間振とう、50分間静置した後、ろ液をポリ瓶に50g採取して、残った放射性溶液とろ液の放射能を、それぞれゲルマニウム半導体検出器で測定し、吸着材による除去率を上記の式（１）から算出した。
【００３１】
その結果を図４及び図５に示す。図４中、横軸は吸着材の添加量（g）を、縦軸は除去率を示す。図４に示すように、セシウム吸着材は、Cs-134に対して吸着作用を発揮し、吸着材添加溶液に対する添加量が増えるにつれて除去率が増大した。また、図５に示すように、３週間静置した後のセシウムの除去率は添加量が0.25gのときに0.81であり、添加量が1〜5gのときはほぼ１であった。このことから、添加量と反応時間を多くすることにより水中のCs-134をほぼ完全に除去できることが分かった。
【００３２】
このように本実施例に係るセシウム吸着材は、木材を原料とする粒状炭化物の表面にベントナイト粉末の焼結体薄膜が形成されているため、ベントナイトのイオン交換能によりセシウムを吸着することができる。しかも、ベントナイトを焼結させて粒状炭化物の表面に担持させているため、ベントナイトが水分を吸って膨潤することがなく、放射性セシウムを吸着した後、ろ布でろ過する際に、セシウム吸着材がろ布に固着して目詰まりすることがない。
【００３３】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、例えば次のような変形が可能である。
最終処分場は、再利用、再資源化が困難なごみを処分する施設であり、処分場内部の水（保有水）と公共水域や地下水を隔てる構造によって安定型、遮断型、管理型に分類される。このうち、管理型最終処分場は、低濃度の有害物質と生活環境項目の汚濁物質を発生させる廃棄物に対して安定化を図る施設であり、廃棄物の埋立て後に有害物質や汚濁物質が次第に分解し、重金属やBOD成分、COD成分、窒素、酸・アルカリを含んだ浸出水が生じる。このため、ゴムシートなどによる遮水工と、活性炭ろ過を含む浸出水浄化システム等が設置され、水質試験やモニタリングによって管理される。
【００３４】
通常、管理型最終処分場では、廃棄物を埋め立てる際に、一定の層厚の廃棄物ごとに覆土をする。このようにする目的は、覆土により該廃棄物を露出させずに安定的に埋め立てることであるが、この覆土に本発明に係るセシウム吸着材を混合するとよい。これにより、廃棄物に放射性セシウムが含まれていた場合に該放射性セシウムを吸着して保持できるため、雨水などによる放射性セシウムの地下への浸透・浸出を抑えることができる。
【００３５】
また、管理型最終処分場に設置される浸出水浄化システムに本発明に係るセシウム吸着材を用いた吸着塔・吸着層を設けると良い。これにより、放射性セシウムを含む浸出水の排出を防ぐことができる。
【００３６】
ゴミ焼却炉では、通常、排気ダクトにバグフィルター（ろ過集塵）や電気集塵器等の集塵器が設置されるが、焼却炉から集塵器までの排気ダクト中に本発明に係るセシウム吸着材を吹きこむようにしても良い。これにより、排ガス中に含まれる放射性セシウムがセシウム吸着材に吸着される。セシウム吸着材は、排ガス中のその他の塵と共に集塵器で取り除かれるため、放射性セシウムを含むガスの排出を防ぐことができる。また、ベントナイトやゼオライトの焼結体はその多孔質構造によりダイオキシン類（ポリ塩化ジベンゾパラジオキシン（PCDD）、ポリ塩化ジベンゾフラン（PCDF）、ダイオキシン様ポリ塩化ビフェニル（DL-PCB））を物理吸着することが知られている。従って、上述した排気ダクト内に本発明のセシウム吸着材を吹きこむことにより、排ガス中に含まれるダイオキシン類を取り除くことができる。
【００３７】
また、本発明に係るセシウム吸着材は、上水道施設（浄水場）の浄水が放射性セシウムで汚染された場合に、浄水中から放射性セシウムを除去するために用いることができる。
このように、本発明に係るセシウム吸着材は、水、土壌、ガス等、様々な物質から放射性セシウムを除去する方法に有効である。
【００３８】
上記実施例では、原料木材として建築廃材チップを用いたが、この他、間伐材、剪定枝のチップを用いてもよい。
また、粒状炭化物の表面には、ゼオライト粉末とベントナイト粉末の一方のみを担持させても良いが、両方を担持させても良い。
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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